EP2113067A1 - Configurable field device for use in process automation systems - Google Patents

Configurable field device for use in process automation systems

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EP2113067A1
EP2113067A1 EP07803358A EP07803358A EP2113067A1 EP 2113067 A1 EP2113067 A1 EP 2113067A1 EP 07803358 A EP07803358 A EP 07803358A EP 07803358 A EP07803358 A EP 07803358A EP 2113067 A1 EP2113067 A1 EP 2113067A1
Authority
EP
European Patent Office
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module
field device
function
modules
logic
Prior art date
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Granted
Application number
EP07803358A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP2113067B1 (en
Inventor
Udo Grittke
Armin Wernet
Roland Dieterle
Axel Humpert
Dietmar FRÜHAUF
Romuald Girardey
Jürgen Becker
Katarina Paulsson
Michael HÜBNER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser SE and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co KG
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Filing date
Publication date
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Application granted granted Critical
Publication of EP2113067B1 publication Critical patent/EP2113067B1/en
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K19/00—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits
    • H03K19/02—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components
    • H03K19/173—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components using elementary logic circuits as components
    • H03K19/177—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components using elementary logic circuits as components arranged in matrix form
    • H03K19/17748—Structural details of configuration resources
    • H03K19/17752—Structural details of configuration resources for hot reconfiguration
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D18/00—Testing or calibrating apparatus or arrangements provided for in groups G01D1/00 - G01D15/00
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G01D3/02—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups with provision for altering or correcting the law of variation
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    • H03K19/17748—Structural details of configuration resources
    • H03K19/17756—Structural details of configuration resources for partial configuration or partial reconfiguration

Definitions

  • field devices are often used, which are used for the detection and / or influence of Prozes s variables.
  • field devices are level gauges, mass flowmeters, analysis measuring devices, pressure and temperature measuring devices, etc., which detect the corresponding process variables variable level, flow, pressure, differential pressure, pH value or temperature as sensors.
  • z. B valves or pumps through which the flow of a liquid in a pipe section or the level in a container can be changed.
  • field devices in modern automation systems are connected via communication networks (HART multidrop, Profibus, Foundation Fieldbus, etc.) to higher-order units (eg, control systems, control units). These higher-level units are used for process control, process visualization, process monitoring and commissioning or for operating the field devices.
  • HART multidrop, Profibus, Foundation Fieldbus, etc. communication networks
  • higher-order units eg, control systems, control units.
  • fieldbus systems are also integrated into enterprise networks that work on Ethernet basis. In this way, process or field device information can be accessed from different areas of a company.
  • Foundation Fieldbus or HART is the interoperability and interchangeability of devices from different manufacturers. This allows sensors or actuators from different manufacturers to be used together without difficulty. It is also possible to replace a sensor from a specific manufacturer with a functionally identical sensor from another manufacturer.
  • microcontrollers are usually provided in modern field devices.
  • the advantage of using microcontrollers is that application-specific software programs that run in these microcontrollers, a variety of functionalities are feasible and program changes are relatively easy to carry out.
  • Program-controlled field devices are therefore very flexible. However, this high flexibility is paid for by the disadvantage that the processing speed is relatively slow due to the sequential program execution.
  • ASIC Application Specific Integrated Circuit
  • a configurable field device is known in which a reconfigurable logic device is provided.
  • the logic device is configured with at least one microcontroller, which is also referred to as an embedded controller.
  • the required software is loaded into the microcontroller.
  • the reconfigurable logic module required in this case must have sufficient resources to fulfill all desired functionalities.
  • Such "large" logic devices with a lot of storage space require a corresponding amount of energy.
  • My logic devices with a lower energy consumption would mean a significant limitation in the functionality of each field device.
  • the essential idea of the invention is to provide in a field device a dynamically reconfigurable logic device, are configured on the individual function modules at the request of running in a microcontroller control program or a hardware-based control unit with a corresponding flow control. If certain function modules are currently not required, their resources are available for use by other function modules.
  • the partial reconfiguration of FPGAs has the goal of being able to exchange individual modules within the structure. In the case of a dynamic partial reconfiguration, the replacement takes place during the operation of the field device.
  • Function modules by means of a configuration bit stream, which is loaded into the reconfigurable logic module.
  • the entire processing unit is designed as a dynamically reconfigurable logic module and divided into a dynamic and a static area, wherein the control unit is permanently configured in the static area.
  • At least one functional module is used to evaluate the measurement signal.
  • the functional module for evaluating the Mes s signal is a signal filter.
  • At least one functional module is used to generate the output value for the communication circuit.
  • the function module for generating the output value for the communication circuit corresponds to a fieldbus controller or a FJART modem.
  • a function module for controlling a display / control unit.
  • the function module is a digital filter, which consists of a basic block and several extension blocks.
  • a logic module which has a plurality of logic cells, which are interconnected via electronic switches, wherein functional modules are permanently configured in a static region of the logic module, wherein the logic cells of these functional modules are interconnected via permanent connections, and a dynamic range functional modules are temporarily configured, the logic cells of these function modules are interconnected by electronic switches temporarily.
  • the following method steps are performed during the system start-up: Configuration of at least one function module with high priority at a time tl, processing this function module, configuration of at least one function module with medium priority at a time t2, processing this Function module, configuration of at least one function module with low priority at a time t3, execution of this function module
  • the number of logic sound circuits of at least one functional module during the system startup phase and the operating phase is different.
  • a microprocessor with initialized registers is configured at the beginning of the system startup phase.
  • Test module that is used to test functional modules and / or software functionalities of the field device configured.
  • the test module is configured only during the production phase of the field device. In a further development of the method according to the invention, the test module is configured cyclically or sporadically on request by the control program.
  • the area occupied by a functional module on the reconfigurable logic module is expanded or reduced.
  • FIG. 1 is a block diagram of a conventional field device
  • FIG. 3 shows a field device with a dynamically reconfigurable logic module
  • FIG. 3a shows a field device according to Fig. 3 in a first operating phase in a schematic representation
  • FIG. 3b shows a field device according to FIG. 3 in a second operating phase
  • FIG. 3c shows a field device according to FIG. 3 in a third operating phase
  • Fig. 5 a hardware filter with multiple blocks
  • FIG. 6 shows a configurable field device with a plurality of test modules.
  • Fig. 1 is a block diagram of a conventional field device is shown in more detail. It is a capacitive level gauge.
  • the field device F essentially has an analog sensor circuit SS, a central processing unit ZV with two microcontrollers ⁇ C1 and ⁇ C2 and an analog communication circuit KS.
  • the analog sensor circuit SS is used to generate a level-dependent analog measurement signal.
  • a sine signal (reference signal) is generated with the aid of a low-pass filter Q from a square-wave signal, which is conducted via a separation unit I to a capacitive probe SD, which serves to detect the process variable "fill level" via a capacitive or inductive coupling signal separation and is designed according to the safety requirements (Ex requirements).
  • the independent of the level stimulating voltage signal is digitized in a transducer unit U and evaluated in the microcontroller ⁇ C2. Alternating is a level-dependent current signal (measuring signal) in Microcontroller ⁇ C2 evaluated.
  • a current / voltage converter S is necessary, which converts the current signal into a voltage signal, which is then digitized in the converter unit U.
  • the two signals are alternately evaluated and processed in the microprocessor ⁇ C2. The switchover between the two signals takes place via the switch SW.
  • the digital output signal for generating a sinusoidal signal is in
  • Microcontroller ⁇ C2 generated and forwarded to the filter Q via a phase shift unit T.
  • the phase shift unit T With the phase shift unit T, the phase of the reference signal can be shifted accordingly to optimally adapt the measurement signal to the requirements of the converter unit U.
  • the perfect program sequence of the microcontroller ⁇ C2 is monitored by a watchdog timer K. If a program error occurs, a program reset is triggered via the watchdog timer K.
  • a local operation N a data memory O and a power fail reset circuit P are connected to the microcontroller .mu.C2.
  • the local operation N allows easy setting of device parameters
  • sensor data are stored in the data memory O and the power fail reset circuit P triggers a program reset in the event of a power failure.
  • a further microcontroller ⁇ C1 which serves to generate the output values for the process variable and for the actual control of the field device F.
  • a watchdog timer D and a power reset circuit J are likewise connected to the microcontroller .mu.C.
  • a data memory H, a display / operating unit L, a modem C and a locking unit VE are connected to the microcontroller .mu.C.
  • the modem C, the communication circuit KS is connected downstream, which is used for connection to a process control loop (2-wire-control-loop).
  • the field device F is designed for HART communication.
  • the modem C is therefore a HART modem.
  • the communication circuit KS is adapted for HART communication and has a 4-20 mA interface A and a HART communication resistor R on.
  • the measured value can be transmitted as the output value of the field device to an external unit via the process control loop.
  • an external unit for example, a programmable logic controller is conceivable that processes the output value and actuates actuators accordingly.
  • the field device F is also supplied with energy.
  • a power supply circuit B to which the individual energy-consuming components of the field device F are connected.
  • the manipulated variable for the 4-20 mA current signal is output by the microcontroller ⁇ C1 as a pulse-width-modulated signal (PWM signal).
  • a latch unit VE if reset, sets the duty cycle of the PWM signal at 0%.
  • the 4-20mA interface A is controlled so that the desired current signal is transmitted via the process control loop.
  • both microprocessors ⁇ C1 and ⁇ C2 each have a standardized JTAG interface with the corresponding terminals V1 or V2.
  • both microprocessors ⁇ C1, ⁇ C2 each still have a standardized serial UART interface with corresponding connections W1 or W2.
  • Application programs consist of a large number of program components, such as measured value processing, diagnostics, operating menu etc.
  • the dotted deposited part represents the area of the field device F in which data is processed in digital form.
  • the remaining area (shown in dashed lines) is the analog area with several analog circuit components as external components.
  • parts of the modem C and the communication circuit KS are realized in an ASIC.
  • the level is the decisive process variable for process control.
  • the capacity of the probe SD changes.
  • the capacitance is determined by means of the sensor circuit SS, which outputs two analog signals (reference signal / Mes s signal), which are converted in the converter unit U into digital signals.
  • the digital signals are evaluated in the processing unit ZV, namely in the microcontroller ⁇ C2, in which a special evaluation program for the measurement signal / reference signal takes place. After the evaluation is z.
  • B. the current level or the capacity in the container in question as Output value available. This measured value can be forwarded via the analog communication circuit KS and the process control loop to an external unit.
  • the processing unit ZV essentially serves to evaluate the
  • Measuring signal for generating the output signal for the process variable and for controlling the field device F.
  • appropriate programs are processed.
  • FIG. 2 shows a block diagram of a configurable field device F 'with a reconfigurable logic device FPGA (field programmable gate array), which corresponds in function to the field device according to FIG.
  • FPGA field programmable gate array
  • all components of the central processing unit ZV according to FIG. 1 are configured on the reconfigurable logic module FPGA.
  • FPGA field programmable gate array
  • components alternatives are also shown.
  • a Profibus or Foundation Fieldbus controller are conceivable for the locking unit VE and for the phase shifting T.
  • display operation unit L, local operation N and sensor data memory O are also corresponding Controls, which are also referred to as "handler" provided.
  • This field device F can be configured for different alternative applications.
  • a major disadvantage of this field device lies in the high resource requirements and the associated high energy demand.
  • Processing unit ZV is designed as a dynamically reconfigurable logic module LB.
  • a microcontroller .mu.C, a function module M and a watchdog timer K, two interfaces JTAG and UART and a controller for a memory FLASH are configured.
  • FIG. 3 shows the field device Y "according to the invention in different phases of operation according to FIG. 3.
  • the components of the field device P v actually required during the relevant operating phase are shown in all three figures shown.
  • the logic module LB is divided into two areas, a dynamic area DB and a static area SB.
  • a dynamic area DB In the static area is a microcontroller ⁇ C permanently configured, which communicates via a peripheral bus with the UART interface, the JT AG interface and the controller for the memory FLASH.
  • one or more functional modules are configured.
  • the communication of these modules with the microcontroller ⁇ C takes place via hardware FIFO channels (Fast Simplex Links).
  • the individual functional modules can be connected via corresponding configuration
  • Bitstreams are configured separately and dynamically at runtime. Normally, the configuration bitstreams are stored in the external memory FLASH. The charging process is initiated by a corresponding control program in the microcontroller .mu.C.
  • the field device according to FIG. 3 a is the actual one during a first phase
  • Measuring phase shown. Therefore, only the functional modules necessary for the evaluation of the measurement signal are configured. These are an amplitude and phase calculation module Ml, a capacity calculation module M2 and a phase shift module M3. During this phase of operation, the low-pass filter Q, the separation unit I, the probe SD, the converter unit U, the switch SW and the current / voltage converter S are active as external hardware components.
  • the function modules M1 and M2 are designed for parallel data processing, the measurement of signal evaluation can be carried out correspondingly quickly.
  • a display / operating module M4 is configured as the function module, which controls the display / operating unit L.
  • the user is at this time the full display / control functionality of the field device available.
  • This function module M4 can, for. B. on the vacant resources of the currently not required function module M2 for the amplitude and phase calculation can be configured.
  • the field device F is shown during a third phase.
  • this phase communication with an external unit takes place.
  • all function modules that are necessary for communication are configured. These are here the function module HART modem M5 and the locking module M6.
  • the mode of operation of the field device according to the invention is explained again below.
  • the function modules which are actually required are dynamically configured on the logic module LB at the request of the control program running in the microcontroller .mu.C.
  • the configuration of the function modules M1-M6 takes place in a simple manner via a configuration bit stream which is loaded from the memory FLASH.
  • the static area SB is permanently configured as a control unit (microcontroller ⁇ C) in which the control program runs.
  • the dynamic range DB is intended for the individual function modules. Individual functional modules can be successively configured in the same area, so that the dynamic range can be configured in a compact way, despite its high degree of functionality.
  • the function modules M1-M6 cover various functionalities such as evaluation of the measurement signal, generation of an output value for the communication circuit, signal filter for the measurement signal, control of the display / control unit.
  • a field device with a dynamically reconfigurable logic module offers the advantage that only function modules that are actually required have to be configured.
  • Function modules are stored in memory FLASH and can be configured at any time, as appropriate resources are free.
  • the field device according to the invention requires relatively little energy and nevertheless allows a high degree of functionality. In addition, it allows very fast data processing, because all resources of the dynamic range DB are available for functionally required functionalities and thus parallel processing is possible.
  • the field device Y can be supplied with energy, for example via a fieldbus or a process control loop (loop powered). without a separate power supply line is necessary.
  • Field devices with dynamically reconfigurable logic modules offer even more advantages. So z. For example, when a system startup (startup), either all function modules are loaded right from the start, or else the function modules are loaded with a time delay according to their priority. In the first alternative, all functions of the field device are available immediately after system startup.
  • the second alternative offers the advantage that the measured value can be quickly changed to
  • the function modules which are necessary for the evaluation of the measurement signal eg Ml, M2, M3 and therefore have a high priority are loaded after the system start.
  • the display / operation module M4 is loaded, which has a medium priority, and lastly, the modules that have a low priority, such.
  • the modules required for communication eg, M5, M6 are loaded. This time delay when loading the function modules is shown in FIG. 4. If the field device is switched off again shortly after the time t 1, the energy that would be required to charge the following functional modules can be saved. Another energy-saving potential is to provide more resources for system startup by tailoring the functional module structure to a fast system startup. So z.
  • the area initially provided to the display / control module may be relatively mine. At a later date, the area can then be increased.
  • the number of logic sound circuits is directly correlated with the functionality of the respective module. Small area means less functionality or less performance what z. B. has slower processing speed result.
  • Reconfigurable logic devices even offer the advantage of loading microcontrollers with a fully initialized register. This eliminates the normally necessary initialization phase, which also has an energy-saving effect.
  • Another advantage offered by dynamically reconfigurable logic devices is the ability to dynamically adapt hardware components.
  • the filter may consist of one basic block and several identical ones Expansion blocks are constructed. More expansion blocks mean an improved filter function combined with a correspondingly higher energy consumption. According to the desired requirements in terms of energy consumption, performance, available area, more or less expansion blocks are configured on the dynamically reconfigurable logic device.
  • the filter on the dynamically reconfigurable logic module is thus adapted to the current requirements.
  • the adaptation may depend on different criteria, e.g. Signal-to-noise ratio, available energy, cyclic repetitions, speed of processing, etc.
  • Echo tracking on radar level gauges the useful echo signal is determined from the echo signal.
  • the echo signal usually still has false echoes and a noise level.
  • the later the useful echo signal occurs in the echo signal the greater the distance to be measured, the smaller the amplitude of the wanted echo signal. For reliable identification of the wanted echo signal this is tracked over several measurements.
  • the echo curves can be represented in a 3-dimensional space as echo field, in which the temporal shift of the useful echo can be tracked.
  • Another example of the use of adaptive hardware is the capacitive level measurement technique.
  • field devices are used that operate with different frequencies.
  • sporadic switching is made to a high frequency.
  • the sampling rate or the number of extension blocks can be adjusted according to the frequency.
  • the Fourier transformation like a filter, can also be implemented on the dynamically reconfigurable logic module via a basic block and several extension blocks.
  • Logic modules is one of the functions tested for functionality
  • test modules are loaded as function modules on the dynamically reconfigurable logic module.
  • test modules are memory test modules,
  • Test pattern generators modules, etc. which are in the dynamic range DB of
  • Logic module LB are loaded (Fig. 7).
  • the test modules can, for. B. be used only during the production phase of the field device to test certain functionalities of the field device. Alternatively, for testing during operation of the field device, test modules may be called cyclically, sporadically, or on demand.
  • a test template is provided for tests in the production phase, which provides various suitably predefined areas (slots) for test modules.
  • the slots have already defined interfaces to the microcontroller .mu.C and have a predefined size.
  • the respective test modules are then loaded into the slots. In a slot for memory test modules different modules, depending on the connected memory module can be loaded. As examples of such
  • Field device families of a field device manufacturer make recurrent test requests define that can be covered by test templates.
  • tests during operation of the field device are of crucial importance with regard to the security of the entire application in which the field device is used. If there is currently too little space available for a test module, the area of other function modules can be temporarily reduced to create space for the required test module. The reloading of the test modules can, as already mentioned above, be cyclic, sporadic or on request. After completing a test, the test modules are removed.
  • Test modules are of great importance for self-learning systems in which parameters are monitored and logged by means of test modules. This can also predictions are made about the availability.
  • Test modules can also be easily changed, for. Depending on the parameter, depending on the service life, power supply-dependent, temperature-dependent, etc.
  • test module determines that individual cells of the dynamically reconfigurable logic module are faulty, they can be overwritten again or the area of these defective cells can be avoided in the future. This is particularly advantageous in high radiation applications where cell imperfections can easily be caused by radiation ("cell overturning").
  • Corresponding self-vibration test modules can be used to test sub-functions of the field device so that conclusions can be drawn about the "state" of these sub-functions.

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Abstract

The invention relates to a configurable field device for use in process automation systems, comprising a partially dynamically re-configurable logic device FPGA on which functional modules are configured in a dynamic manner during runtime.

Description

Beschreibung Konfigurierbares Feldgerät für die Prozessautomatisierungstechnik Description Configurable field device for process automation technology
[0001] Die Erfindung betrifft ein konfigurierbares Feldgerät für dieThe invention relates to a configurable field device for the
Prozessautomatisierungstechnik gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.Process automation technology according to the preamble of claim 1.
[0002] In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozes s variablen dienen. Beispiele für derartige Feldgeräte sind Füllstandsmessgeräte, Massedurchflussmessgeräte, Analysemessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte etc., die als Sensoren die entsprechenden Prozes s variablen Füllstand, Durchfluss, Druck, Differenzdruck, pH- Wert bzw. Temperatur erfassen.In automation technology, especially in process automation technology field devices are often used, which are used for the detection and / or influence of Prozes s variables. Examples of such field devices are level gauges, mass flowmeters, analysis measuring devices, pressure and temperature measuring devices, etc., which detect the corresponding process variables variable level, flow, pressure, differential pressure, pH value or temperature as sensors.
[0003] Zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren, z. B. Ventile oder Pumpen, über die der Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohrleitungsabschnitt bzw. der Füllstand in einem Behälter verändert werden kann.To influence process variables actors, z. B. valves or pumps through which the flow of a liquid in a pipe section or the level in a container can be changed.
[0004] Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Firmengruppe Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.A variety of such field devices is manufactured and sold by the group Endress + Hauser.
[0005] In der Regel sind Feldgeräte in modernen automatisierungstechnischen Anlagen über Kommunikationsnetzwerke (HART- Multidrop, Profibus, Foundation Fieldbus etc.) mit übergeordneten Einheiten (z. B. Leitsysteme, Steuereinheiten) verbunden. Diese übergeordneten Einheiten dienen zur Prozes s Steuerung, Prozes s Visualisierung, Prozessüberwachung sowie zur Inbetriebnahme bzw. zum Bedienen der Feldgeräte.As a rule, field devices in modern automation systems are connected via communication networks (HART multidrop, Profibus, Foundation Fieldbus, etc.) to higher-order units (eg, control systems, control units). These higher-level units are used for process control, process visualization, process monitoring and commissioning or for operating the field devices.
[0006] Notwendige Zusatzkomponenten zum Betrieb von Feldbus Systemen die direkt an einen Feldbus angeschlossen sind und die insbesondere zur Kommunikation mit den übergeordneten Einheiten dienen £. B. Remote I/Os, Gateways, Linking Devices, Controller) werden häufig auch als Feldgeräte bezeichnet.Necessary additional components for the operation of fieldbus systems which are connected directly to a field bus and which are used in particular for communication with the superordinate units £. As remote I / Os, gateways, linking devices, controllers) are often referred to as field devices.
[0007] Zum Teil sind Feldbus Systeme auch in Unternehmensnetzwerke, die auf Ethernet- Basis arbeiten, integriert. So kann aus unterschiedlichen Bereichen eines Unternehmens auf Prozess- bzw. Feldgeräteinformationen zugegriffen werden.In part, fieldbus systems are also integrated into enterprise networks that work on Ethernet basis. In this way, process or field device information can be accessed from different areas of a company.
[0008] Zur weltweiten Kommunikation können Firmennetzwerke auch mit öffentlichen Netzwerken, z. B. dem Internet verbunden sein.For worldwide communication corporate networks can also be used with public networks, such. B. connected to the Internet.
[0009] Zum Bedienen und zur Inbetriebnahme der Feldgeräte sind entsprechendeFor operating and commissioning of the field devices are appropriate
Bedienprogramme notwendig £. B. FieldCare, Endress+Hauser; Pactware; AMS, Emerson; Simatic PDM, Siemens).Operating programs necessary £. B. FieldCare, Endress + Hauser; Pactware; AMS, Emerson; Simatic PDM, Siemens).
[0010] Zur Anlagensteuerung und -Überwachung von größeren Anlagen dienen Leitsystem- Anwendungen £. B. Simatic S7, Siemens; Freelance, ABB; Delta V, Emerson). [0011] Ein wesentlicher Aspekt der offenen Kommunikations Systeme wie z. B. Profibus,For system control and monitoring of larger systems serve control applications £. Eg Simatic S7, Siemens; Freelance, ABB; Delta V, Emerson). An essential aspect of open communication systems such. B. Profibus,
Foundation Fieldbus oder HART ist die InterOperabilität und die Austauschbarkeit von Geräten unterschiedlicher Hersteller. So können Sensoren oder Aktoren verschiedener Hersteller problemlos zusammen eingesetzt werden. Auch ist es möglich einen Sensor eines bestimmten Herstellers durch einen funktionsgleichen Sensor eines anderen Herstellers auszutauschen.Foundation Fieldbus or HART is the interoperability and interchangeability of devices from different manufacturers. This allows sensors or actuators from different manufacturers to be used together without difficulty. It is also possible to replace a sensor from a specific manufacturer with a functionally identical sensor from another manufacturer.
[0012] Heutige Feldgeräte werden zunehmend komplexer. Neben der reinen Mes s wertverarbeitung werden Diagnoseaufgaben und vor allem Kommunikationsaufgaben, die Feldgeräte im Hinblick auf die eingesetzten Bus Systeme erfüllen müssen, immer aufwendiger. Um diesen Aufgaben gerecht zu werden, sind meist mehrere Mikrocontroller in modernen Feldgeräten vorgesehen. Der Vorteil beim Einsatz von Mikrocontrollern besteht darin, dass über anwendungsspezifische Softwareprogramme, die in diesen Mikrocontrollern ablaufen, die verschiedensten Funktionalitäten realisierbar sind und Programmänderungen relativ einfach durchführbar sind. Programmgesteuerte Feldgeräte sind deshalb sehr flexibel. Diese hohe Flexibilität wird aber mit dem Nachteil erkauft, dass durch die sequentielle Programmabarbeitung die Verarbeitungsgeschwindigkeit relativ langsam ist.Today's field devices are becoming increasingly complex. In addition to pure measurement processing, diagnostic tasks and, above all, communication tasks that field devices have to meet with regard to the bus systems used are becoming increasingly complex. In order to fulfill these tasks, several microcontrollers are usually provided in modern field devices. The advantage of using microcontrollers is that application-specific software programs that run in these microcontrollers, a variety of functionalities are feasible and program changes are relatively easy to carry out. Program-controlled field devices are therefore very flexible. However, this high flexibility is paid for by the disadvantage that the processing speed is relatively slow due to the sequential program execution.
[0013] Teilweise werden deshalb in Feldgeräten auch so genannte ASIC- (Application Specific Integrated Circuit) eingesetzt. Durch die anwendungsspezifische Ausgestaltung können diese Bausteine Daten/Signale sehr schnell verarbeiten. Insbesondere für rechenintensive Anwendungen sind sie sehr geeignet.In part, therefore, so-called ASIC (Application Specific Integrated Circuit) are used in field devices. Due to the application-specific design, these modules can process data / signals very quickly. Especially for computationally intensive applications, they are very suitable.
[0014] Die Funktionalität dieser Bausteine ist jedoch fest vorgegeben. Der Einsatz von ASICs lohnt sich nur bei großen Stückzahlen, da der Entwicklungsaufwand und die damit verbundenen Kosten relativ hoch sind. Eine Änderung der Funktionalität ist bei diesen Bausteine nicht möglich.However, the functionality of these blocks is fixed. The use of ASICs pays off only in large quantities, since the development effort and the associated costs are relatively high. Changing the functionality is not possible with these blocks.
[0015] Aus der WO03/098154 ist ein konfigurierbares Feldgerät bekannt, bei dem ein rekonfigurierbarer Logikbaustein vorgesehen ist. Hier wird beim Systemstart der Logikbaustein mit mindestens einem Mikrocontroller, der auch als Embedded Controller bezeichnet wird, konfiguriert. Nachdem die Konfiguration abgeschlossen ist, wird die erforderliche Software in den Mikrocontroller geladen.From WO03 / 098154 a configurable field device is known in which a reconfigurable logic device is provided. Here, at startup, the logic device is configured with at least one microcontroller, which is also referred to as an embedded controller. After the configuration is completed, the required software is loaded into the microcontroller.
[0016] Der hierbei benötigte rekonfigurierbare Logikbaustein muss über ausreichende Ressourcen verfügen, um alle gewünschten Funktionalitäten erfüllen zu können. Solche „großen" Logikbausteine mit viel Speicherplatz benötigen jedoch entsprechend viel Energie. [0017] Der Einsatz von Meineren Logikbausteinen mit einem geringeren Energieverbrauch würde eine erhebliche Einschränkung in der Funktionalität des jeweiligen Feldgerätes bedeuten.The reconfigurable logic module required in this case must have sufficient resources to fulfill all desired functionalities. However, such "large" logic devices with a lot of storage space require a corresponding amount of energy. The use of My logic devices with a lower energy consumption would mean a significant limitation in the functionality of each field device.
[0018] Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein konfigurierbares Feldgerät für dieThe object of the invention is therefore to provide a configurable field device for
Prozessautomatisierungstechnik und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Feldgerätes anzugeben, das die oben genannten Nachteile nicht aufweist, das insbesondere wenig Energie verbraucht und gleichzeitig ein hohes Maß an Funktionalität aufweist.Specify process automation technology and a method for operating such a field device, which does not have the above-mentioned disadvantages, which in particular consumes little energy and at the same time has a high degree of functionality.
[0019] Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale bzw. durch die im Anspruch 9 angegebenen Verfahrensmerkmale.This object is achieved by the features specified in claim 1 or by the process characteristics specified in claim 9.
[0020] Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.Advantageous developments of the invention are specified in the respective subclaims.
[0021] Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, in einem Feldgerät einen dynamisch rekonfigurierbaren Logikbaustein vorzusehen, auf dem einzelne Funktionsmodule auf Aufforderung eines in einem Mikrocontroller ablaufenden Steuerprogramms oder einer hardwarebasierten Steuereinheit mit einer entsprechenden Ablaufsteuerung konfiguriert werden. Wenn bestimmte Funktionsmodule äctuell nicht benötigt werden, stehen deren Ressourcen für die Belegung durch andere Funktionsmodule zur Verfügung. Die partielle Rekonfiguration von FPGAs hat das Ziel, einzelne Module innerhalb der Struktur austauschen zu können. Bei einer dynamischen partiellen Rekonfiguration geschieht der Austausch während des Betriebs des Feldgeräts.The essential idea of the invention is to provide in a field device a dynamically reconfigurable logic device, are configured on the individual function modules at the request of running in a microcontroller control program or a hardware-based control unit with a corresponding flow control. If certain function modules are currently not required, their resources are available for use by other function modules. The partial reconfiguration of FPGAs has the goal of being able to exchange individual modules within the structure. In the case of a dynamic partial reconfiguration, the replacement takes place during the operation of the field device.
[0022] In einer Weiterentwicklung der Erfindung erfolgt die Konfiguration derIn a further development of the invention, the configuration of
Funktionsmodule mittels eines Konfigurationsbitstroms, der in den rekonfigurierbaren Logikbaustein geladen wird.Function modules by means of a configuration bit stream, which is loaded into the reconfigurable logic module.
[0023] In einer Weiterentwicklung der Erfindung ist die gesamte Verarbeitungseinheit als dynamisch rekonfigurierbarer Logikbaustein ausgebildet und einen dynamischen und einen statischen Bereich aufgeteilt, wobei im statischen Bereich die Steuereinheit permanent konfiguriert ist.In a further development of the invention, the entire processing unit is designed as a dynamically reconfigurable logic module and divided into a dynamic and a static area, wherein the control unit is permanently configured in the static area.
[0024] In einer Weiterentwicklung der Erfindung dient mindestens ein Funktionsmodul zur Auswertung des Messsignals.In a further development of the invention, at least one functional module is used to evaluate the measurement signal.
[0025] In einer Weiterentwicklung der Erfindung ist das Funktionsmodul zur Auswertung des Mes s signals ein Signalfilter.In a further development of the invention, the functional module for evaluating the Mes s signal is a signal filter.
[0026] In einer Weiterentwicklung der Erfindung dient mindestens ein Funktionsmodul zur Generierung des Ausgabewerts für die Kommunikationsschaltung. [0027] In einer Weiterentwicklung der Erfindung entspricht das Funktionsmodul zur Generierung des Ausgabewerts für die Kommunikationsschaltung einem Feldbuscontroller bzw. einem FJART-Modem.In a further development of the invention, at least one functional module is used to generate the output value for the communication circuit. In a further development of the invention, the function module for generating the output value for the communication circuit corresponds to a fieldbus controller or a FJART modem.
[0028] In einer Weiterentwicklung der Erfindung dient ein Funktionsmodul zur Ansteuerung einer Anzeige/Bedieneinheit.In a further development of the invention is a function module for controlling a display / control unit.
[0029] Bei einer Weiterentwicklung der Erfindung ist das Funktionsmodul ein digitales Filter, das aus einem Basisblock und mehreren Erweiterungsblöcken besteht.In a further development of the invention, the function module is a digital filter, which consists of a basic block and several extension blocks.
[0030] In einer Weiterentwicklung der Erfindung ist ein Logikbaustein vorgesehen, der eine Vielzahl von Logikzellen aufweist, die über elektronische Schalter verschaltet sind, wobei in einem statischen Bereich des Logikbausteins Funktionsmodule fest konfiguriert sind, wobei die Logikzellen dieser Funktionsmodule über permanente Verbindungen verschaltet sind, und einem dynamisch en Bereich Funktionsmodule zeitweise konfiguriert sind, wobei die Logikzellen dieser Funktionsmodule über elektronische Schalter zeitweise verschaltet sind.In a further development of the invention, a logic module is provided which has a plurality of logic cells, which are interconnected via electronic switches, wherein functional modules are permanently configured in a static region of the logic module, wherein the logic cells of these functional modules are interconnected via permanent connections, and a dynamic range functional modules are temporarily configured, the logic cells of these function modules are interconnected by electronic switches temporarily.
[0031] Bei einer Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden während der Systemstartphase folgende Verfahrens schritte durchgeführt: Konfigurierung von mindestens einem Funktionsmodul mit hoher Priorität zu einem Zeitpunkt tl, Abarbeitung dieses Funktionsmoduls, Konfigurierung von mindestens einem Funktionsmodul mit mittlerer Priorität zu einem Zeitpunkt t2, Abarbeitung dieses Funktionsmoduls, Konfigurierung von mindestens einem Funktionsmodul mit geringer Priorität zu einem Zeitpunkt t3, Abarbeitung dieses FunktionsmodulsIn a further development of the method according to the invention, the following method steps are performed during the system start-up: Configuration of at least one function module with high priority at a time tl, processing this function module, configuration of at least one function module with medium priority at a time t2, processing this Function module, configuration of at least one function module with low priority at a time t3, execution of this function module
[0032] Bei einer Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Anzahl der Logikschallkreise mindestens eines Funktionsmoduls während der Systemstartphase und der Betriebsphase unterschiedlich.In a further development of the method according to the invention, the number of logic sound circuits of at least one functional module during the system startup phase and the operating phase is different.
[0033][0033]
[0034] Bei einer Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens stehen Funktionsmodulen mit hoher Priorität während der Systemstartphase mehr Logikschallkreise zur Verfügung.In a further development of the method according to the invention are function modules with high priority during the system start-up more logic sound circuits available.
[0035] Bei einer Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zu Beginn der Systemstartphase ein Mikroprozessor mit initialisierten Registern konfiguriert.In a further development of the method according to the invention, a microprocessor with initialized registers is configured at the beginning of the system startup phase.
[0036] Bei einer Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird einIn a further development of the method according to the invention is a
Testmodul, das zum Testen von Funktionsmodulen und/oder Softwarefunktionalitäten des Feldgerätes dient, konfiguriert.Test module that is used to test functional modules and / or software functionalities of the field device configured.
[0037] Bei einer Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Testmodul nur während der Produktionsphase des Feldgeräts konfiguriert. [0038] Bei einer Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Testmodul zyklisch oder sporadisch auf Anforderung durch das Steuerprogramm konfiguriert.In a further development of the method according to the invention, the test module is configured only during the production phase of the field device. In a further development of the method according to the invention, the test module is configured cyclically or sporadically on request by the control program.
[0039] Bei einer Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Fläche, die ein Funktionsmodul auf dem rekonfigurierbaren Logikbaustein einnimmt, erweitert oder verringert.In a further development of the method according to the invention, the area occupied by a functional module on the reconfigurable logic module is expanded or reduced.
[0040] Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention is explained in more detail with reference to an embodiment shown in the drawing.
[0041] Es zeigt:It shows:
[0042] Fig. 1: ein Blockschaltbild eines herkömmlichen Feldgerätes;FIG. 1 is a block diagram of a conventional field device; FIG.
[0043] Fig. 2: ein Feldgerät mit einem rekonfigurierbaren Logikbaustein in schematischer Darstellung2: a field device with a reconfigurable logic module in a schematic representation
[0044] Fig. 3: ein Feldgerät mit einem dynamisch rekonfigurierbaren Logikbaustein3 shows a field device with a dynamically reconfigurable logic module
[0045] Fig. 3a: ein Feldgerät nach Fig. 3 in einer ersten Betriebsphase in schematischer Darstellung3a shows a field device according to Fig. 3 in a first operating phase in a schematic representation
[0046] Fig. 3b: ein Feldgerät nach Fig. 3 in einer zweiten BetriebsphaseFIG. 3b shows a field device according to FIG. 3 in a second operating phase
[0047] Fig. 3c: ein Feldgerät nach Fig. 3 in einer dritten BetriebsphaseFIG. 3c shows a field device according to FIG. 3 in a third operating phase
[0048] Fig. 4: ein Zeitdiagramm für das Laden von Modulen unterschiedlicher Priorität während der Systemstartphase4 shows a time diagram for loading modules of different priority during the system startup phase
[0049] Fig. 5: ein Hardwarefilter mit mehreren BlöckenFig. 5: a hardware filter with multiple blocks
[0050] Fig. 6: ein konfigurierbares Feldgerät mit mehreren TestmodulenFIG. 6 shows a configurable field device with a plurality of test modules. FIG
[0051] In Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines herkömmlichen Feldgerätes näher dargestellt. Es handelt sich dabei um ein kapazitives Füllstandsmessgerät.In Fig. 1 is a block diagram of a conventional field device is shown in more detail. It is a capacitive level gauge.
[0052] Das Feldgerät F weist im Wesentlichen eine analoge Sensorschaltung SS, eine zentrale Verarbeitungseinheit ZV mit zwei Mikrocontrollern μCl und μC2 sowie eine analoge Kommunikations Schaltung KS auf. Die analoge Sensorschaltung SS dient zur Erzeugung eines vom Füllstand abhängigen analogen Messsignals. In der Sensorschaltung SS wird mit Hilfe eines Tiefpassfilters Q aus einem Rechtecksignal ein Sinus signal (Referenzsignal) erzeugt, das über eine Trenneinheit I zu einer kapazitiven Sonde SD, die zur Erfassung der Prozess variablen „Füllstand" dient, geführt wird. Die Trenneinheit I ermöglicht über eine kapazitive oder induktive Kopplung eine Signaltrennung und ist entsprechend der Sicherheitsanforderungen (Ex-Anforderungen) ausgelegt.The field device F essentially has an analog sensor circuit SS, a central processing unit ZV with two microcontrollers μC1 and μC2 and an analog communication circuit KS. The analog sensor circuit SS is used to generate a level-dependent analog measurement signal. In the sensor circuit SS, a sine signal (reference signal) is generated with the aid of a low-pass filter Q from a square-wave signal, which is conducted via a separation unit I to a capacitive probe SD, which serves to detect the process variable "fill level" via a capacitive or inductive coupling signal separation and is designed according to the safety requirements (Ex requirements).
[0053] Das vom Füllstand unabhängige anregende Spannungs signal (Referenzsignal) wird in einer Wandlereinheit U digitalisiert und im Mikrocontroller μC2 ausgewertet. Alternierend wird ein füllstandabhängiges Stromsignal (Messsignal) im Mikrocontroller μC2 ausgewertet. Hierzu ist ein Strom/Spannungskonverter S notwendig, der das Stromsignal in ein Spannungssignal umwandelt, das anschließend in der Wandlereinheit U digitalisiert wird. Abwechselnd werden die beiden Signale im Mikroprozessor μC2 ausgewertet und verarbeitet. Die Umschaltung zwischen den beiden Signalen erfolgt über den Schalter SW.The independent of the level stimulating voltage signal (reference signal) is digitized in a transducer unit U and evaluated in the microcontroller μC2. Alternating is a level-dependent current signal (measuring signal) in Microcontroller μC2 evaluated. For this purpose, a current / voltage converter S is necessary, which converts the current signal into a voltage signal, which is then digitized in the converter unit U. The two signals are alternately evaluated and processed in the microprocessor μC2. The switchover between the two signals takes place via the switch SW.
[0054] Das digitale Ausgangs signal zur Generierung eines Sinussignals wird imThe digital output signal for generating a sinusoidal signal is in
Mikrocontroller μC2 erzeugt und über eine Phasenverschiebungseinheit T an das Filter Q weitergeleitet. Mit der Phasenverschiebungseinheit T kann die Phase des Referenzsignals entsprechend verschoben werden, um das Messsignal optimal auf die Erfordernisse der Wandlereinheit U anzupassen.Microcontroller μC2 generated and forwarded to the filter Q via a phase shift unit T. With the phase shift unit T, the phase of the reference signal can be shifted accordingly to optimally adapt the measurement signal to the requirements of the converter unit U.
[0055] Der einwandfreie Programmablauf des Mikrocontrollers μC2 wird von einem Watchdog -Timer K überwacht. Falls ein Programmfehler auftritt, wird über den Watchdog -Timer K ein Programmreset ausgelöst.The perfect program sequence of the microcontroller μC2 is monitored by a watchdog timer K. If a program error occurs, a program reset is triggered via the watchdog timer K.
[0056] Weiterhin sind mit dem Mikrocontroller μC2 eine Vorortbedienung N, ein Datenspeicher O und eine Powerfail-Resetschaltung P verbunden. Die Vorortbedienung N erlaubt eine einfache Einstellung von Geräteparametern, im Datenspeicher O sind Sensordaten abgespeichert und die Powerfail-Resetschaltung P löst im Falle einer Spannungsunterbrechung einen Programmreset aus.Furthermore, a local operation N, a data memory O and a power fail reset circuit P are connected to the microcontroller .mu.C2. The local operation N allows easy setting of device parameters, sensor data are stored in the data memory O and the power fail reset circuit P triggers a program reset in the event of a power failure.
[0057] Neben dem Mikroprozessor μC2, der im Wesentlichen zur Auswertung des Messsignals dient, ist ein weiterer Mikrocontroller μCl vorgesehen, der zur Generierung der Ausgabewerte für die Prozessvariable und zur eigentlichen Steuerung des Feldgeräts F dient. Mit dem Mikrocontroller μCl ist ebenfalls ein Watchdog - Timer D und eine Power-Resetschaltung J verbunden. Ferner sind mit dem Mikrocontroller μCl ein Datenspeicher H, eine Anzeige/Bedieneinheit L, ein Modem C und eine Verriegelungseinheit VE verbunden.In addition to the microprocessor μC2, which essentially serves to evaluate the measurement signal, a further microcontroller μC1 is provided, which serves to generate the output values for the process variable and for the actual control of the field device F. A watchdog timer D and a power reset circuit J are likewise connected to the microcontroller .mu.C. Furthermore, a data memory H, a display / operating unit L, a modem C and a locking unit VE are connected to the microcontroller .mu.C.
[0058] Dem Modem C ist die Kommunikations Schaltung KS nachgeschaltet, die zum Anschluss an eine Prozessregelschleife (2-wire-control-loop) dient.The modem C, the communication circuit KS is connected downstream, which is used for connection to a process control loop (2-wire-control-loop).
[0059] Im vorliegenden Fall ist das Feldgerät F für eine HART-Kommunikation ausgelegt. Bei dem Modem C handelt es sich deshalb um ein HART-Modem. Auch die Kommunikations Schaltung KS ist für die HART-Kommunikation angepasst und weist eine 4-20 mA Schnittstelle A und einen HART-Kommunikations-Widerstand R auf.In the present case, the field device F is designed for HART communication. The modem C is therefore a HART modem. The communication circuit KS is adapted for HART communication and has a 4-20 mA interface A and a HART communication resistor R on.
[0060] Über ein 4-20mA-Stromsignal kann der Messwert als Ausgabewert des Feldgerätes an eine externe Einheit über die Prozessregelschleife übertragen werden. Als externe Einheit ist zum Beispiel eine speicherprogrammierbare Steuerung denkbar, die den Ausgabewert verarbeitet und Aktoren entsprechend ansteuert. [0061] Über die 4-20mA-Schnittstelle A wird das Feldgerät F auch mit Energie versorgt. Hierzu dient eine Spannungsversorgungs Schaltung B, an die die einzelnen energieverbrauchenden Komponenten des Feldgeräts F angeschlossen sind.By means of a 4-20 mA current signal, the measured value can be transmitted as the output value of the field device to an external unit via the process control loop. As an external unit, for example, a programmable logic controller is conceivable that processes the output value and actuates actuators accordingly. About the 4-20mA interface A, the field device F is also supplied with energy. For this purpose, a power supply circuit B, to which the individual energy-consuming components of the field device F are connected.
[0062] Den Stellwert für das 4-20 mA Stromsignal gibt der Mikrocontroller μCl als pulsweiten-moduliertes Signal (PWM- Signal) aus. Eine Verriegelungseinheit VE stellt, falls ein Reset vorliegt, das Tastverhältnis des PWM-Signals auf 0% ein. Über eine Ansteuereinheit AE wird die 4-20mA-Schnittstelle A so angesteuert, dass das gewünschte Stromsignal über die Prozessregel schleife übertragen wird.The manipulated variable for the 4-20 mA current signal is output by the microcontroller μC1 as a pulse-width-modulated signal (PWM signal). A latch unit VE, if reset, sets the duty cycle of the PWM signal at 0%. Via a drive unit AE, the 4-20mA interface A is controlled so that the desired current signal is transmitted via the process control loop.
[0063] Zu Testzwecken weisen beide Mikroprozessoren μCl und μC2 jeweils eine standardisierte JTAG-Schnittstelle mit den entsprechenden Anschlüssen Vl bzw. V2 auf.For test purposes, both microprocessors μC1 and μC2 each have a standardized JTAG interface with the corresponding terminals V1 or V2.
[0064] Zur Kommunikation weisen beiden Mikroprozessoren μCl, μC2 jeweils noch eine standardisierte serielle UART-Schnittstelle mit entsprechenden Anschlüssen Wl bzw. W2 auf.For communication, both microprocessors μC1, μC2 each still have a standardized serial UART interface with corresponding connections W1 or W2.
[0065][0065]
[0066] In den Mikroprozessoren μCl und μC2 laufen die entsprechendenIn the microprocessors μCl and μC2 run the corresponding
Anwendungsprogramme (Firmware) ab. Diese Anwendungsprogramme bestehen aus einer Vielzahl von Programmkomponenten, wie Messwertverarbeitung, Diagnose, Bedienmenü etc.Application programs (firmware). These application programs consist of a large number of program components, such as measured value processing, diagnostics, operating menu etc.
[0067] Der punktiert hinterlegte Teil stellt den Bereich des Feldgerätes F dar, in dem Daten in digitaler Form verarbeitet werden. Der restliche Bereich (gestrichelt hinterlegt) ist der Analog-Bereich mit mehreren analogen Schaltungskomponenten als externe Komponenten.The dotted deposited part represents the area of the field device F in which data is processed in digital form. The remaining area (shown in dashed lines) is the analog area with several analog circuit components as external components.
[0068] Häufig sind Teile des Modems C und der Kommunikations Schaltung KS in einem ASIC realisiert.Frequently, parts of the modem C and the communication circuit KS are realized in an ASIC.
[0069] Nachfolgend ist die Funktion dieses herkömmlichen Feldgerätes näher erläutert.The function of this conventional field device is explained in more detail below.
[0070] Das Feldgerät F dient zur Bestimmung des Füllstandes einer Flüssigkeit in einemThe field device F is used to determine the level of a liquid in one
Behälter. Der Füllstand ist für die Prozess Steuerung die entscheidende Prozessvariable.Container. The level is the decisive process variable for process control.
[0071] Mit dem Füllstand ändert sich die Kapazität der Sonde SD. Ermittelt wird die Kapazität mit Hilfe der Sensorschaltung SS, die zwei analoge Signale (Referenzsignal/Mes s signal) ausgibt, die in der Wandlereinheit U in digitale Signale umgewandelt werden. Ausgewertet werden die digitalen Signale in der Verarbeitungseinheit ZV und zwar im Mikrocontroller μC2, in dem ein spezielles Auswerteprogramm für das Messsignal/Refenzsignal abläuft. Nach der Auswertung steht z. B. der aktuelle Füllstand bzw. die Füllmenge in dem betreffenden Behälter als Ausgabewert zur Verfügung. Dieser Messwert kann über die analoge Kommunikations Schaltung KS und die Prozessregelschleife an eine externe Einheit weitergeleitet werden.With the level, the capacity of the probe SD changes. The capacitance is determined by means of the sensor circuit SS, which outputs two analog signals (reference signal / Mes s signal), which are converted in the converter unit U into digital signals. The digital signals are evaluated in the processing unit ZV, namely in the microcontroller μC2, in which a special evaluation program for the measurement signal / reference signal takes place. After the evaluation is z. B. the current level or the capacity in the container in question as Output value available. This measured value can be forwarded via the analog communication circuit KS and the process control loop to an external unit.
[0072] Die Verarbeitungseinheit ZV dient im Wesentlichen zur Auswertung desThe processing unit ZV essentially serves to evaluate the
Messsignals, zur Generierung des Ausgangs signals für die Prozess variable und zur Steuerung des Feldgerätes F. Zur Durchführung dieser Aufgaben werden in den beiden Mikrocontrollern μCl und μC2 entsprechende Programme abgearbeitet.Measuring signal, for generating the output signal for the process variable and for controlling the field device F. To perform these tasks in the two microcontrollers μCl and μC2 appropriate programs are processed.
[0073] In Figur 2 ist ein Blockschalbild eines konfigurierbaren Feldgeräts F' mit einem rekonfigurierbaren Logikbaustein FPGA (field programmable gate array) dargestellt, das in der Funktion dem Feldgerät nach Fig. 1 entspricht. Im Prinzip sind alle Komponenten der zentralen Verarbeitungseinheit ZV nach Fig. 1 auf dem rekonfigurierbaren Logikbaustein FPGA konfiguriert. Für einzelne bereits beim Feldgerät nach Figur 1 vorhandene Komponenten sind zusätzlich Alternativen dargestellt. So zum Beispiel für das HART-Modem C wo als Alternative ein Profibusoder Foundation Fieldbus-Controller denkbar sind, für die Verriegelungseinheit VE und für die Phasenverschiebungseinheit T. Für die Ansteuerung der Komponenten Datenspeicher EEPROM, Anzeigebedieneinheit L, Vorortbedienung N und Sensordatenspeicher O sind zusätzlich entsprechende Ansteuerungen, die auch als „handler" bezeichnet werden, vorgesehen.2 shows a block diagram of a configurable field device F 'with a reconfigurable logic device FPGA (field programmable gate array), which corresponds in function to the field device according to FIG. In principle, all components of the central processing unit ZV according to FIG. 1 are configured on the reconfigurable logic module FPGA. For individual already present in the field device of Figure 1 components alternatives are also shown. Thus, for example, for the HART modem C as an alternative, a Profibus or Foundation Fieldbus controller are conceivable for the locking unit VE and for the phase shifting T. For controlling the components data storage EEPROM, display operation unit L, local operation N and sensor data memory O are also corresponding Controls, which are also referred to as "handler" provided.
[0074] Dieses Feldgerät F' kann für unterschiedliche alternative Anwendungen konfiguriert werden. Ein wesentlicher Nachteil dieses Feldgerätes liegt jedoch in dem hohen Ressourcenbedarf und dem damit verbundenen hohen Energiebedarf.This field device F 'can be configured for different alternative applications. A major disadvantage of this field device, however, lies in the high resource requirements and the associated high energy demand.
[0075] In Fig. 3 ist ein erfindungsgemäßes Feldgerät Y" näher dargestellt. Es weist die gleichen externen Komponenten wie die in Fig. 1 bzw. Fig. 2 dargestellten Feldgeräte F, F' auf. Der wesentliche Unterschied besteht jedoch darin, dass die Verarbeitungseinheit ZV als dynamisch rekonfigurierbarer Logikbaustein LB ausgebildet ist. Auf dem Logikbaustein LB sind ein Mikrocontroller μC, ein Funktionsmodul M sowie ein Watchdog-Timer K, zwei Schnittstellen JTAG und UART sowie ein Controller für einen Speicher FLASH konfiguriert.3 shows a field device Y "according to the invention, which has the same external components as the field devices F, F 'shown in FIGS. 1 and 2, respectively Processing unit ZV is designed as a dynamically reconfigurable logic module LB. On the logic module LB, a microcontroller .mu.C, a function module M and a watchdog timer K, two interfaces JTAG and UART and a controller for a memory FLASH are configured.
[0076] In den Figuren Fig. 3a - Fig. 3c ist das erfindungsgemäße Feldgerät Y" nach Fig. 3 während unterschiedlicher Betriebsphasen näher dargestellt. In allen drei Figuren sind der Übersichtlichkeit halber nur die während der betreffenden Betriebsphase tatsächlich benötigten Komponenten des Feldgerätes Pv gezeigt.3 shows the field device Y "according to the invention in different phases of operation according to FIG. 3. For the sake of clarity, only the components of the field device P v actually required during the relevant operating phase are shown in all three figures shown.
[0077] Der Logikbaustein LB ist in zwei Bereiche, einen dynamischen Bereich DB und einen statischen Bereich SB unterteilt. Im statischen Bereich ist ein Mikrocontroller μC permanent konfiguriert, der über einen Peripheriebus mit der UART-Schnittstelle, der JT AG-Schnittstelle und dem Controller für den Speicher FLASH kommuniziert.The logic module LB is divided into two areas, a dynamic area DB and a static area SB. In the static area is a microcontroller μC permanently configured, which communicates via a peripheral bus with the UART interface, the JT AG interface and the controller for the memory FLASH.
[0078] Im dynamischen Bereich DB sind ein oder mehrere Funktionsmodule konfiguriert. Die Kommunikation dieser Module mit dem Mikrocontroller μC erfolgt über Hardware-FIFO-Kanäle (Fast Simplex Links).In the dynamic range DB, one or more functional modules are configured. The communication of these modules with the microcontroller μC takes place via hardware FIFO channels (Fast Simplex Links).
[0079] Die einzelnen Funktionsmodule können über entsprechende Konfigurations-[0079] The individual functional modules can be connected via corresponding configuration
Bitströme separat und zur Laufzeit dynamisch konfiguriert werden. Normalerweise sind die Konfigurations -Bitströme in dem externen Speicher FLASH abgespeichert. Der Ladevorgang wird durch ein entsprechendes Steuerprogramm im Mikrocontroller μC eingeleitet.Bitstreams are configured separately and dynamically at runtime. Normally, the configuration bitstreams are stored in the external memory FLASH. The charging process is initiated by a corresponding control program in the microcontroller .mu.C.
[0080] Das Feldgerät nach Fig. 3a ist während einer ersten Phase, der eigentlichenThe field device according to FIG. 3 a is the actual one during a first phase
Messphase, dargestellt. Deshalb sind auch nur die Funktionsmodule, die für die Auswertung des Messsignals notwendig sind, konfiguriert. Dies sind ein Amplituden- und Phasen-Berechnungs-Modul Ml, ein Kapazitätsberechnungs-Modul M2 sowie ein Phasenverschiebungs-Modul M3. Als externe Hardwarekomponenten sind während dieser Betriebsphase das Tiefpassfilter Q, die Trenneinheit I, die Sonde SD, die Wandlereinheit U, der Schalter SW und der Strom/Spannungskonverter S aktiv.Measuring phase, shown. Therefore, only the functional modules necessary for the evaluation of the measurement signal are configured. These are an amplitude and phase calculation module Ml, a capacity calculation module M2 and a phase shift module M3. During this phase of operation, the low-pass filter Q, the separation unit I, the probe SD, the converter unit U, the switch SW and the current / voltage converter S are active as external hardware components.
[0081] Alle weiteren externen Hardwarekomponenten werden äctuell nicht ääiv angesprochen. Sie benötigen somit entweder gar keine Energie oder nur minimal Energie.All other external hardware components are currently not addressed ääuell. You either need no energy at all or only minimal energy.
[0082] Da insbesondere die Funktionsmodule Ml und M2 für parallele Datenverarbeitung ausgelegt sind, kann die Mess Signalauswertung entsprechend schnell erfolgen.Since, in particular, the function modules M1 and M2 are designed for parallel data processing, the measurement of signal evaluation can be carried out correspondingly quickly.
[0083] In Fig. 3b ist das Feldgerät während einer weiteren zweiten Phase, in der derIn Fig. 3b, the field device during another second phase in which the
Anwender das Gerät bedienen kann, dargestellt. Hierfür ist als Funktionsmodul ein Anzeige/Bedienungs-Modul M4 konfiguriert, das die Anzeige/Bedieneinheit L ansteuert.User can operate the device shown. For this purpose, a display / operating module M4 is configured as the function module, which controls the display / operating unit L.
[0084] Dem Anwender steht zu diesem Zeitpunkt die volle Anzeige/Bedien-Funktionalität des Feldgeräts zur Verfügung.The user is at this time the full display / control functionality of the field device available.
[0085] Dieses Funktionsmodul M4 kann z. B. auf den frei gewordenen Ressourcen des aktuell nicht benötigten Funktionsmoduls M2 für die Amplituden- und Phasenberechnung konfiguriert werden.This function module M4 can, for. B. on the vacant resources of the currently not required function module M2 for the amplitude and phase calculation can be configured.
[0086] Während dieser zweiten Phase findet keine Messsignalauswertung statt. Es wird deshalb für diese Funktionalität momentan auch keine Energie verbraucht.During this second phase, no measurement signal evaluation takes place. It is therefore currently consumed no energy for this functionality.
[0087] Es besteht auch die Möglichkeit, dass die Mess Signalauswertung nicht komplett ausgeladen wird, sondern nur reduziert wird, wenn das Anzeige/Bedienungs-Modul M4 geladen wird.There is also the possibility that the measurement signal evaluation is not completely unloaded, but only reduced when the display / control module M4 is loaded.
[0088] In Fig. 3c ist das Feldgerät F während einer dritten Phase dargestellt. In dieser Phase findet eine Kommunikation mit einer externen Einheit statt. Hierfür werden alle Funktionsmodule, die für die Kommunikation notwendig sind, konfiguriert. Dies sind hier das Funktionsmodul HART-Modem M5 und das Verriegelungs-Modul M6.In Fig. 3c, the field device F is shown during a third phase. In this phase, communication with an external unit takes place. For this purpose, all function modules that are necessary for communication are configured. These are here the function module HART modem M5 and the locking module M6.
[0089] Nachfolgend ist die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Feldgerätes nochmals erläutert. Die äctuell benötigten Funktionsmodule werden auf Aufforderung des im Mikrocontroller μC ablaufenden Steuerprogramms auf dem Logikbaustein LB dynamisch konfiguriert. Die Konfigurierung der Funktionsmodule M1-M6 erfolgt in einfacher Weise über einen Konfigurationsbitstrom der aus dem Speicher FLASH geladen wird.The mode of operation of the field device according to the invention is explained again below. The function modules which are actually required are dynamically configured on the logic module LB at the request of the control program running in the microcontroller .mu.C. The configuration of the function modules M1-M6 takes place in a simple manner via a configuration bit stream which is loaded from the memory FLASH.
[0090] Als sehr vorteilhaft hat es sich erwiesen, auf dem dynamisch rekonfigurierbaren Logikbaustein LB zwei Bereiche vorzusehen, eine dynamischen und ein statischen Bereich. Der statische Bereich SB ist permanent als Steuereinheit (Mikrocontroller μC) konfiguriert, in dem das Steuerprogramm abläuft. Der dynamische Bereich DB ist für die einzelnen Funktionsmodule vorgesehen. Einzelne Funktionsmodule könne sukzessive im gleichen Bereich konfiguriert werden, so dass der dynamische Bereich - trotz hoher Funktionalität - kompäct ausgestaltet sein kann.It has proven to be very advantageous to provide two areas on the dynamically reconfigurable logic module LB, one dynamic area and one static area. The static area SB is permanently configured as a control unit (microcontroller μC) in which the control program runs. The dynamic range DB is intended for the individual function modules. Individual functional modules can be successively configured in the same area, so that the dynamic range can be configured in a compact way, despite its high degree of functionality.
[0091] Die Funktionsmodule M1-M6 decken verschiedene Funktionalitäten wie Auswertung des Messsignals, Generierung eines Ausgabewertes für die Kommunikationsschaltung, Signalfilter für das Messsignal, Ansteuerung der Anzeige/Bedieneinheit ab.The function modules M1-M6 cover various functionalities such as evaluation of the measurement signal, generation of an output value for the communication circuit, signal filter for the measurement signal, control of the display / control unit.
[0092] Ein Feldgerät mit einem dynamisch rekonfigurierbaren Logikbaustein bietet den Vorteil, dass nur äctuell benötigte Funktionsmodule konfiguriert werden müssen.A field device with a dynamically reconfigurable logic module offers the advantage that only function modules that are actually required have to be configured.
[0093] Dies erlaubt die Verwendung von relativ kleinen Logikbausteinen mit wenigThis allows the use of relatively small logic devices with little
Speicherplatz. Solche kleinen Logikbausteine benötigen entsprechend wenig Energie.Space. Such small logic devices require correspondingly little energy.
[0094] Alle weiteren Funktionalitäten stehen prinzipiell zur Verfügung, da sie alsAll other functionalities are available in principle, since they as
Funktionsmodule im Speicher FLASH gespeichert sind und jederzeit konfiguriert werden können, soweit entsprechende Ressourcen frei sind.Function modules are stored in memory FLASH and can be configured at any time, as appropriate resources are free.
[0095] Das erfindungsgemäße Feldgerät benötigt relativ wenig Energie und erlaubt trotzdem ein hohes Maß an Funktionalität. Außerdem erlaubt es eine sehr schnelle Datenverarbeitung, weil für äctuell benötigte Funktionalitäten alle Ressourcen des dynamischen Bereichs DB zur Verfügung stehen und damit eine parallele Verarbeitung möglich wird.The field device according to the invention requires relatively little energy and nevertheless allows a high degree of functionality. In addition, it allows very fast data processing, because all resources of the dynamic range DB are available for functionally required functionalities and thus parallel processing is possible.
[0096] Aufgrund des geringen Energieverbrauchs kann das Feldgerät Y" z. B. über einen Feldbus bzw. eine Prozessregelschleife mit Energie versorgt werden (loop powered) ohne dass eine separate Energieversorgungsleitung notwendig ist. [0097] Inkrementelles Zuschalten von FunktionsmodulenDue to the low energy consumption, the field device Y "can be supplied with energy, for example via a fieldbus or a process control loop (loop powered). without a separate power supply line is necessary. [0097] Incremental connection of function modules
[0098] Feldgeräte mit dynamisch rekonfigurierbaren Logikbausteinen bieten noch weitere Vorteile. So können z. B. bei einem Systemstart (Startup) entweder alle Funktionsmodule gleich von Anfang an geladen werden oder aber die Funktionsmodule werden zeitlich verzögert entsprechend ihrer Priorität geladen. Bei der ersten Alternative stehen alle Funktionen des Feldgerätes unmittelbar nach dem Systemstart zur Verfügung.Field devices with dynamically reconfigurable logic modules offer even more advantages. So z. For example, when a system startup (startup), either all function modules are loaded right from the start, or else the function modules are loaded with a time delay according to their priority. In the first alternative, all functions of the field device are available immediately after system startup.
[0099] Die zweite Alternative bietet jedoch den Vorteil, dass der Messwert schnell zurThe second alternative, however, offers the advantage that the measured value can be quickly changed to
Verfügung steht. Hierzu werden nach dem Systemstart nur die Funktionsmodule, die für die Auswertung des Messsignals notwendig sind (z. B. Ml, M2, M3) und deshalb eine hohe Priorität haben, geladen. Anschließend wird das Anzeige/Bedienungs-Modul M4 geladen, das eine mittlere Priorität hat, und zu letzt werden die Module, die eine geringe Priorität haben, wie z. B. die Module, die für die Kommunikation benötigt werden (z. B. M5, M6), geladen. Diese zeitliche Verzögerung beim Laden der Funktionsmodule ist in Fig. 4 dargestellt. Wenn das Feldgerät kurz nach dem Zeitpunkt tl wieder abgeschaltet wird, kann die Energie, die zum Laden der nachfolgenden Funktionsmodule benötigt werden würde, eingespart werden. Ein weiteres Energieeinsparpotential besteht darin für den Systemstart mehr Ressourcen zur Verfügung zu stellen, indem die Struktur der Funktionsmodule auf einen schnellen Systemstart zugeschnitten ist. So kann z. B. die Fläche, die dem Anzeige/ Bedienungs-Modul anfänglich zur Verfügung gestellt wird, relativ Mein sein. Zu einem späteren Zeitpunkt kann die Fläche dann vergrößert werden. Die Fläche die ein Funktionsmodul auf dem Logikbaustein einnimmt d. h. die Anzahl der Logikschallkreise, ist mit der Funktionalität des betreffenden Moduls direkt korreliert. Kleine Fläche bedeutet weniger Funktionalität bzw. weniger Performance was z. B. langsamere Verarbeitungsgeschwindigkeit zur Folge hat.Available. For this purpose, only the function modules which are necessary for the evaluation of the measurement signal (eg Ml, M2, M3) and therefore have a high priority are loaded after the system start. Subsequently, the display / operation module M4 is loaded, which has a medium priority, and lastly, the modules that have a low priority, such. For example, the modules required for communication (eg, M5, M6) are loaded. This time delay when loading the function modules is shown in FIG. 4. If the field device is switched off again shortly after the time t 1, the energy that would be required to charge the following functional modules can be saved. Another energy-saving potential is to provide more resources for system startup by tailoring the functional module structure to a fast system startup. So z. For example, the area initially provided to the display / control module may be relatively mine. At a later date, the area can then be increased. The area occupied by a function module on the logic module d. H. The number of logic sound circuits is directly correlated with the functionality of the respective module. Small area means less functionality or less performance what z. B. has slower processing speed result.
[0100] Rekonfigurierbare Logikbausteine bieten sogar den Vorteil, Mikrocontroller mit einem vollständig initialisierten Register zu laden. Dadurch entfällt die normalerweise notwendige Initialisierungsphase, was sich ebenfalls energiesparend auswirkt.Reconfigurable logic devices even offer the advantage of loading microcontrollers with a fully initialized register. This eliminates the normally necessary initialization phase, which also has an energy-saving effect.
[0101] Adaptive Hardware[0101] Adaptive Hardware
[0102] Ein weiterer Vorteil, den dynamisch rekonfigurierbare Logikbausteine bieten, ist die Möglichkeit, Hardwarekomponenten dynamisch anzupassen. Als Beispiel sei ein digitales Filter angegeben, das eine Differenzengleichung mit n Summanden repräsentiert (Fig. 6). Das Filter kann aus einem Basisblock und mehreren identischen Erweiterungsblöcken aufgebaut werden. Mehr Erweiterungsblöcke bedeuten eine verbesserte Filterfunktion verbunden mit einem entsprechend größeren Energieverbrauch. Gemäß den gewünschten Anforderungen im Hinblick auf Energieverbrauch, Performance, zur Verfügung stehende Fläche werden mehr oder weniger Erweiterungsblöcke auf dem dynamisch rekonfigurierbaren Logikbaustein konfiguriert.Another advantage offered by dynamically reconfigurable logic devices is the ability to dynamically adapt hardware components. As an example, let us specify a digital filter representing a difference equation with n summands (FIG. 6). The filter may consist of one basic block and several identical ones Expansion blocks are constructed. More expansion blocks mean an improved filter function combined with a correspondingly higher energy consumption. According to the desired requirements in terms of energy consumption, performance, available area, more or less expansion blocks are configured on the dynamically reconfigurable logic device.
[0103] Das Filter auf dem dynamisch rekonfigurierbaren Logikbaustein wird somit an die momentanen Anforderungen adaptiert.The filter on the dynamically reconfigurable logic module is thus adapted to the current requirements.
[0104] Die Adaption kann von unterschiedlichen Kriterien abhängen, z. B. Signal/ Rauschabstand, zur Verfügung stehende Energie, zyklische Wiederholungen, Geschwindigkeit der Verarbeitung etc..The adaptation may depend on different criteria, e.g. Signal-to-noise ratio, available energy, cyclic repetitions, speed of processing, etc.
[0105] Ein weiteres Beispiel, eine adaptive Hardware sinnvoll einzusetzen, ist dieAnother example of usefully using adaptive hardware is the
Echoverfolgung bei Radarfüllstandsmeßgeräten. Hier wird das Nutzechosignal aus dem Echosignal ermittelt. Neben dem Nutzechosignal weist das Echosignal meist noch Störechos und einen Rauschpegel auf. Je später das Nutzechosignal im Echosignal auftritt, je größer also der zu messende Abstand ist, desto kleiner ist die Amplitude des Nutzechosignals. Zur sicheren Identifizierung des Nutzechosignals wird dieses über mehrere Messungen verfolgt. Die Echokurven können dabei in einem 3-dimensionalen Raum als Echofeld dargestellt werden, in dem die zeitliche Verschiebung des Nutzechos verfolgt werden kann.Echo tracking on radar level gauges. Here, the useful echo signal is determined from the echo signal. In addition to the useful echo signal, the echo signal usually still has false echoes and a noise level. The later the useful echo signal occurs in the echo signal, the greater the distance to be measured, the smaller the amplitude of the wanted echo signal. For reliable identification of the wanted echo signal this is tracked over several measurements. The echo curves can be represented in a 3-dimensional space as echo field, in which the temporal shift of the useful echo can be tracked.
[0106] Bei einer Filterung über das Echofeld kann es sinnvoll sein, das Filter z. B. nach jeweils 100 Messungen zyklisch anzupassen.When filtering on the echo field, it may be useful to the filter z. B. to cyclically adjust after every 100 measurements.
[0107] Ein weiteres Beispiel für den Einsatz einer adaptiven Hardware bietet die kapazitive Füllstandsmesstechnik. Teilweise werden hier Feldgeräte eingesetzt, die mit unterschiedlichen Frequenzen arbeiten. Zur Ansatzermittlung bzw. zur DK- Berechnung wird sporadisch auf eine hohe Frequenz umgeschaltet. Hier kann entsprechend der Frequenz die Abtastrate bzw. die Anzahl der Erweiterungsblöcke angepasst werden.Another example of the use of adaptive hardware is the capacitive level measurement technique. In some cases, field devices are used that operate with different frequencies. For determination of the setpoint or for the DK calculation, sporadic switching is made to a high frequency. Here, the sampling rate or the number of extension blocks can be adjusted according to the frequency.
[0108] Auch bei einer Fouriertransformation ist eine adaptive Hardware ebenfalls vorteilhaft. Die Fouriertransformation kann wie ein Filter ebenfalls über einen Basisblock und mehrere Erweiterungsblöcke harwaremäßig auf dem dynamisch rekonfigurierbaren Logikbaustein realisiert werden.Also in a Fourier transform, adaptive hardware is also advantageous. The Fourier transformation, like a filter, can also be implemented on the dynamically reconfigurable logic module via a basic block and several extension blocks.
[0109] Tauchen in einem Fourierspektrum neue Frequenzspitzen auf, so kann eineIf new frequency peaks occur in a Fourier spectrum, then a
Anpassung des Transformations verhalten durch zusätzliche Erweiterungsblöcke erfolgen. [0110] Dynamische Testfunktionen als TestmoduleAdaptation of the transformation behavior by additional expansion blocks. [0110] Dynamic Test Functions as Test Modules
[Ol l i] Einen weiteren Vorteil den Feldgeräte mit dynamisch rekonfigurierbaren[Ol l i] Another advantage of the field devices with dynamically reconfigurable
Logikbausteinen bieten, ist im Hinblick auf das Testen von Funktionen einesLogic modules, is one of the functions tested for functionality
Feldgerätes zu sehen. [0112] Hierzu werden Testmodule als Funktionsmodule auf den dynamisch rekonfigurierbaren Logikbaustein geladen. Als Testmodule sind Speichertestmodule,Field device to see. For this purpose, test modules are loaded as function modules on the dynamically reconfigurable logic module. As test modules are memory test modules,
Signalsanalysemodule, Vergleichermodule, Timing-Test-Generator-Module oderSignal analysis modules, comparator modules, timing test generator modules or
Testmustergeneratoren-Module etc. denkbar, die in den dynamischen Bereich DB desTest pattern generators modules, etc., which are in the dynamic range DB of
Logikbausteins LB geladen werden (Fig. 7). [0113] Die Testmodule können z. B. nur während der Produktionsphase des Feldgerätes eingesetzt werden, um bestimmte Funktionalitäten des Feldgerätes zu testen. [0114] Alternativ können zum Testen während des Betriebs des Feldgeräts Testmodule zyklisch, sporadisch oder auf Anforderung aufgerufen werden. [0115] In vorteilhafter Weise ist für Tests in der Produktionsphase ein Testtemplate vorgesehen, das verschiedene passend vordefinierte Bereiche (Slots) für Testmodule vorsieht. [0116] Die Slots weisen bereits definierte Schnittstellen zum Mikrocontroller μC auf und besitzen eine vordefinierte Größe. In die Slots werden dann die jeweiligen Testmodule geladen. [0117] In einen Slot für Speichertestmodule können verschiedene Module, je nach angeschlossenem Speichermodul geladen werden. Als Beispiele für entsprechendeLogic module LB are loaded (Fig. 7). The test modules can, for. B. be used only during the production phase of the field device to test certain functionalities of the field device. Alternatively, for testing during operation of the field device, test modules may be called cyclically, sporadically, or on demand. Advantageously, a test template is provided for tests in the production phase, which provides various suitably predefined areas (slots) for test modules. The slots have already defined interfaces to the microcontroller .mu.C and have a predefined size. The respective test modules are then loaded into the slots. In a slot for memory test modules different modules, depending on the connected memory module can be loaded. As examples of such
Algorithmen seien genannt; Walking Pattern, Marching Pattern, descrambelt; nicht descrambelt etc.. [0118] Eine Vereinfachung bei Testmodulen ist möglich, wenn mit Hilfe desAlgorithms are named; Walking Pattern, Marching Pattern, descrambelt; not descrambelt etc .. A simplification in test modules is possible if with the help of
Mikrocontrollers μC und eines rückgekoppelten Schieberegisters im Ein-Microcontroller μC and a feedback shift register in the input
/Ausgabe-Bereich I/O Bereich die Ergebnisse des Tests über eine Signaturanalyse bewertet werden. [0119] Durch die große Rechenleistung der Verarbeitungseinheit ZV u. a. durch die parallele Datenverarbeitung (Parallelverarbeitung) sind umfangreiche und komplizierte/ Output area I / O area the results of the test are evaluated via a signature analysis. Due to the large computing power of the processing unit ZV u. a. Due to the parallel data processing (parallel processing) are extensive and complicated
Signalanalysen in sehr kurzer Zeit möglich. Auf das Antwortsignal eines Testsignals kann z. B. eine Fourriertransformation angewendet werden, um das Signal gleich imSignal analysis possible in a very short time. On the response signal of a test signal z. B. a Fourier transform can be applied to the signal equal to
Frequenzbereich zu analysieren. [0120] Grundsätzlich ist es möglich, für die meisten denkbaren Testfälle entsprechendeFrequency range to analyze. In principle, it is possible for the most possible test cases corresponding
Testmodule zu generieren. Typischerweise lassen sich für Feldgeräteklassen bzw.Generate test modules. Typically, for field device classes or
Feldgerätefamilien eines Feldgeräteherstellers wiederkehrende Testanforderungen definieren, die durch Testtemplates abgedeckt werden können.Field device families of a field device manufacturer make recurrent test requests define that can be covered by test templates.
[0121] Neben Tests während der Produktionsphase sind auch Tests während des Betriebs des Feldgerätes von entscheidender Wichtigkeit im Hinblick auf die Sicherheit der gesamten Anwendung in der das Feldgerät eingesetzt wird. Steht äctuell zu wenig Fläche für ein Testmodul zur Verfügung, so kann die Fläche anderer Funktionsmodule kurzzeitig verringert werden um Fläche für das benötigte Testmodul zu schaffen. Das Nachladen der Testmodule kann wie bereits oben erwähnt, zyklisch, sporadisch oder auf Anforderung erfolgen. Nach Abschluss eines Tests werden die Testmodule wieder entfernt.In addition to tests during the production phase, tests during operation of the field device are of crucial importance with regard to the security of the entire application in which the field device is used. If there is currently too little space available for a test module, the area of other function modules can be temporarily reduced to create space for the required test module. The reloading of the test modules can, as already mentioned above, be cyclic, sporadic or on request. After completing a test, the test modules are removed.
[0122] Testmodule sind von großer Wichtigkeit für selbstlernende Systeme, bei denen Parameter mit Hilfe von Testmodulen überwacht und protokolliert werden. Damit können auch Vorraus sagen über die Verfügbarkeit gemacht werden.Test modules are of great importance for self-learning systems in which parameters are monitored and logged by means of test modules. This can also predictions are made about the availability.
[0123] Testmodule können auch einfach verändert werden, z. B. parameterabhängig, lebensdauerabhängig, leistungsangebotsabhängig, temperaturabhängig etc.Test modules can also be easily changed, for. Depending on the parameter, depending on the service life, power supply-dependent, temperature-dependent, etc.
[0124] Wird über einen Test mit Hilfe eines Testmoduls festgestellt, dass einzelne Zellen des dynamisch rekonfigurierbaren Logikbaustein fehlerhaft sind, können diese nochmals überschrieben werden oder der Bereich dieser fehlerhaften Zellen zukünftig gemieden werden. Dies ist insbesondere bei Anwendungen mit hoher Strahlenbelastung vorteilhaft, wo es leicht zu Zellenfehler durch Strahlungseinflüsse („Umwerfen der Zelle") kommen kann.If a test with the aid of a test module determines that individual cells of the dynamically reconfigurable logic module are faulty, they can be overwritten again or the area of these defective cells can be avoided in the future. This is particularly advantageous in high radiation applications where cell imperfections can easily be caused by radiation ("cell overturning").
[0125] Dadurch wird die Verfügbarkeit des Feldgerätes drastisch erhöht.As a result, the availability of the field device is drastically increased.
[0126] Einen weiteren Vorteil den Testmodule ermöglichen ist die Selbsikalibration desAnother advantage of the test modules is the self-oscillation of the
Feldgerätes. Entsprechende Testmodule für die Selbsikalibration können zur Prüfung von Teilfunktionen des Feldgerätes eingesetzt werden, um so Rückschlüsse über den „Zustand" dieser Teilfunktionen zu gewinnen.Field device. Corresponding self-vibration test modules can be used to test sub-functions of the field device so that conclusions can be drawn about the "state" of these sub-functions.
[0127] Bezugszeichenliste [0127] List of Reference Numerals
Tabelle 1Table 1

Claims

Ansprücheclaims
[0001] 1. Konfigurierbares Feldgerät für die Prozessautomatisierungstechnik zur1. Configurable field device for process automation technology for
Bestimmung einer Prozessvariablen mit einer analogen Sensorschaltung SS, die mit einer Sonde SD zur Erfassung der Prozessvariablen verbindbar ist und die ein von der erfassten Prozessvariablen abhängiges analoges Messsignal ausgibt, einer der Sensorschaltung SS nach geschalteten Wandlereinheit U zur Umwandlung des analogen Messsignab in ein digitales Messsignal, einer mit der Wandlereinheit U verbundenen Verarbeitungseinheit ZV in der Funktionsmodule vorgesehen sind, die zur Auswertung des Messsignals, zur Generierung eines Ausgabewertes für die Prozessvariable und zur Steuerung des Feldgerätes dienen und einer mit der Verarbeitungseinheit ZV verbundenen analogen Kommunikationsschaltung KS, die zur Weiterleitung des Ausgabewertes an eine externe Einheit dient, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit ZV einen partiell dynamisch rekonfigurierbaren Logikbaustein LB umfasst, auf dem Funktionsmodule auf Anforderung eines in einer Steuereinheit mC ablaufenden Steuerprogramms konfiguriert werden.Determining a process variable with an analog sensor circuit SS which can be connected to a probe SD for detecting the process variable and which outputs an analog measuring signal dependent on the detected process variable, one of the sensor circuit SS downstream of the converter unit U for converting the analog measuring signal into a digital measuring signal, a processing unit ZV connected to the converter unit U are provided in the function modules which serve for evaluating the measurement signal, for generating an output value for the process variable and for controlling the field device, and an analog communication circuit KS connected to the processing unit ZV for forwarding the output value an external unit is used, characterized in that the processing unit ZV comprises a partially dynamically reconfigurable logic module LB, on the function modules on request of a running in a control unit mC control program be configured.
[0002] 2. Konfigurierbares Feldgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konfiguration der Funktionsmodule mittels eines KonfigurationsbiKroms erfolgt, der in den rekonfigurierbaren Logikbaustein LB geladen wird.2. Configurable field device according to claim 1, characterized in that the configuration of the function modules by means of a configuration BiKroms takes place, which is loaded into the reconfigurable logic module LB.
[0003] 3. Konfigurierbares Feldgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Verarbeitungseinheit ab partiell dynamisch rekonfigurierbarer Logikbaustein ausgebildet ist und einen dynamischen und einen statischen Bereich aufweist, wobei im statischen Bereich SB die Steuereinheit, bei der es sich bevorzugt um einen Mikrocontroller mC handelt, permanent konfiguriert ist.3. Configurable field device according to claim 2, characterized in that the entire processing unit is formed from partially dynamically reconfigurable logic device and has a dynamic and a static region, wherein in the static region SB, the control unit, which is preferably a microcontroller mC, is permanently configured.
[0004] 4. Konfigurierbares Feldgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Funktionsmodul zur Auswertung des Messsignab dient.4. Configurable field device according to claim 3, characterized in that at least one functional module is used for evaluation of Messsignab.
[0005] 5. Konfigurierbares Feldgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Funktionsmodul zur Generierung des Ausgabewerts für die Kommunikationsschaltung KS dient.5. Configurable field device according to claim 3, characterized in that at least one functional module for generating the output value for the communication circuit KS is used.
[0006] 6. Konfigurierbares Feldgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionsmodul zur Generierung des Ausgabewerte für die Kommunikationsschaltung einem Feldbuscontroller bzw. einem HART-Modem entepricht.6. Configurable field device according to claim 5, characterized in that the function module for generating the output values for the communication circuit entepricht a fieldbus controller or a HART modem.
[0007] 7. Konfigurierbares Feldgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionsmodul zur Auswertung des Messignab ein Signalfilter ist.7. Configurable field device according to claim 4, characterized in that the functional module for evaluating the Messignab is a signal filter.
[0008] 8. Konfigurierbares Feldgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Funktionsmodul zur Ansteuerung einer Anzeige/Bedieneinheit L dient.8. Configurable field device according to one of the preceding claims, characterized in that a function module for controlling a display / operating unit L is used.
[0009] 9. Konfigurierbares Feldgerät nach einem der Ansprüche 3-8 mit einem9. Configurable field device according to one of claims 3-8 with a
Logikbaustein LB, der eine Vielzahl von Logikzellen aufweist, die über elektronische Schalter verschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass in einem statischen Bereich SB des Logikbausteins LB Funktionsmodule fest konfiguriert sind, wobei die Logikzellen dieser Funktionsmodule über permanente Verbindungen verschaltet sind, und einem dynamischen Bereich DB Funktionsmodule zeitweise konfiguriert sind, wobei die Logikzellen dieser Funktionsmodule über elektronische Schalter zeitweise verschaltet sind.Logic module LB, which has a plurality of logic cells, which are interconnected via electronic switches, characterized in that in a static area SB of the logic module LB function modules are permanently configured, the logic cells of these function modules are interconnected via permanent connections, and a dynamic range DB Function modules are temporarily configured, the logic cells of these function modules are temporarily interconnected via electronic switches.
[0010] 10. Verfahren zum Betreiben eines konfigurierbaren Feldgerätes der10. A method for operating a configurable field device of
Prozessautomatisierungstechnik, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgenden Verfahrensschritte:Process automation technology, according to one of the preceding claims, characterized by the following method steps:
- Ausführung eines Steuerprogramms in einem Mikrocontroller der Verarbeitungseinheit- Execution of a control program in a microcontroller of the processing unit
- Aufruf eines Funktionsmoduls durch das Steuerprogramm- Calling a function module by the control program
- Konfiguration des Funktionsmoduls auf einem dynamisch rekonfigurierbaren Logikbaustein zur Laufzeit- Configuration of the function module on a dynamically reconfigurable logic module at runtime
[0011] 11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei während der Systemstartphase folgende11. The method of claim 10, wherein during the system start-up phase following
Verfahrensschritte durchgeführt werden:Procedural steps are carried out:
- Konfigurierung von mindestens einem Funktionsmodul mit hoher Priorität zu einem Zeitpunkt tl- Configure at least one high priority function module at a time tl
- Abarbeitung dieses Funktionsmoduls- Processing of this function module
- Konfigurierung von mindestens einem Funktionsmodul mit mittlerer Priorität zu einem Zeitpunkt t2- Configure at least one function module with medium priority at a time t2
- Abarbeitung dieses Funktionsmoduls- Processing of this function module
- Konfigurierung von mindestens einem Funktionsmodul mit geringer Priorität zu einem Zeitpunkt t3- Configure at least one function module with low priority at a time t3
- Abarbeitung dieses Funktionsmoduls- Processing of this function module
[0012] 12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der12. The method according to claim 10, characterized in that the number of
Logikschaltkreise mindestens eines Funktionsmoduls während der Systemstartphase und der Betriebsphase unterschiedlich ist.Logic circuits of at least one functional module during the system startup phase and the operating phase is different.
[0013] 13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass Funktionsmodulen mit hoher Priorität während der Systemstartphase eine größere Anzahl von Logikschaltkreisen zur Verfügung stehen. [0014] 14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen 12-13, dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn der Systemstartphases ein Mikroprozessor mit initialisierten Registern konfiguriert wird. [0015] 15. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Testmodul, das zum Testen von Funktionsmodulen und/oder Softwarefunktionalitäten des13. The method according to claim 11, characterized in that Function modules with high priority during the system start phase a larger number of logic circuits are available. 14. The method according to any one of the preceding claims 12-13, characterized in that at the beginning of the system startup phases, a microprocessor is configured with initialized registers. 15. The method according to claim 10, characterized in that a test module for testing functional modules and / or software functionalities of
Feldgerätes dient, konfiguriert wird. [0016] 16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Testmodul nur während der Produktionsphase des Feldgeräis konfiguriert wird. [0017] 17. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Testmodul zyklisch oder sporadisch auf Anforderung durch das Steuerprogramm konfiguriert wird. [0018] 18. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche, die ein Funktionsmodul auf dem rekonfigurierbaren Logikbaustein einnimmt, erweitert oder verringert wird. [0019] 19. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass dasField device is used, is configured. 16. The method according to claim 14, characterized in that the test module is configured only during the production phase of Feldgeräis. 17. The method according to claim 14, characterized in that the test module is configured cyclically or sporadically on request by the control program. 18. The method according to claim 10, characterized in that the area which occupies a functional module on the reconfigurable logic module is extended or reduced. 19. The method according to claim 10, characterized in that the
Funktionsmodul ein digitales Filter oder ein Funktionsmodul zur FFT-Function module a digital filter or a function module for FFT
Berechnung ist, das aus einem Basisblock und mehreren Erweiterungsblöcken besteht. Is calculation, which consists of a basic block and several extension blocks.
EP07803358.6A 2006-10-17 2007-09-10 Configurable field device for use in process automation systems Not-in-force EP2113067B1 (en)

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